一种光栅波导显示系统的制作方法

1.本发明涉及光学显示器件技术领域，特别是涉及一种光栅波导显示系统。


背景技术：

2.光波导器件是ar设备或者其他类似显示系统中常用的光学器件，其主要作用是将投影光线通过耦入光栅的衍射作用从波导元件的一端耦入到波导元件内，使得该投影光线在波导元件内全反射传输，当投影光线传输至波导元件上设置有耦出光栅的一端，则经过耦出光栅的衍射作用耦出并入射至人眼，实现投影光线的显示效果。
3.但是在投影光线耦入至波导元件至入射至人眼这一光路中，投影光线不可避免的存在光能量的损失，其光能量的损失量高达60％，进而在一定程度上造成最终显示于人眼的投影画面亮度不足的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种光栅波导显示系统，能够在一定程度上减少投影光线经过波导传输时的光能损失，提升投影画面的显示效果。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种光栅波导显示系统，包括：
6.用于输出投影光线的光源模块；
7.用于将所述投影光线进行全反射传输后输出的波导元件；
8.设置在所述波导元件表面，用于将所述投影光线耦入到所述波导元件内的耦入光栅；
9.用于对所述耦入光栅进行不同程度的挤压或拉伸，以调节所述耦入光栅的光栅厚度的驱动装置；
10.其中，所述光源模块用于依次向所述波导元件上的所述耦入光栅输出不同角度入射的投影光线；
11.所述驱动装置用于将所述耦入光栅的厚度调节为和所述投影光线的入射角度对应的光栅厚度；所述投影光线的每个入射角度对应的光栅厚度为所述耦入光栅对所述投影光线的衍射效率不低于预设效率时，所述投影光线的入射角度对应的所述耦入光栅的厚度。
12.可选地，所述驱动装置为压电致动器或振动器。
13.可选地，所述耦入光栅为聚合物光栅或液晶光栅。
14.可选地，所述耦入光栅的厚度为200um～20nm，包括端点值。
15.可选地，所述耦入光栅包括第一耦入子光栅和第二耦入光栅；其中，所述第一耦入子光栅和所述第二耦入子光栅的光栅周期相同，且光栅倾斜角的方向相反。
16.可选地，所述光源模块包括多组光源子模块和准直系统，每组所述光源子模块分别用于通过所述准直系统向所述耦入光栅输出不同入射角度的投影光线。
17.可选地，所述光源模块包括成像芯片，所述成像芯片上设置有用于输出投影光线，
且呈阵列分布的成像像素点，其中，同一列所述成像像素点组成一组所述光源子模块。
18.可选地，所述成像芯片为部分圆柱面芯片或平面芯片。
19.可选地，所述光源模块连接有活动部件；所述活动部件带动所述光源模块活动，以改变所述光源模块输出的投影光线入射到所述耦入光栅的入射角度。
20.可选地，所述光源模块包括成像芯片和准直系统；所述活动部件用于带动所述成像芯片和所述准直系统同步旋转，或者带动所述成像芯片在所述准直系统的焦平面上移动，以改变所述成像芯片输出的投影光线入射到所述耦入光栅的入射角度。
21.本发明所提供的光栅波导显示系统，包括：用于输出投影光线的光源模块；用于将投影光线进行全反射传输后输出的波导元件；设置在波导元件表面，用于将投影光线耦入到波导元件内的耦入光栅；用于对耦入光栅进行不同程度的挤压或拉伸，以调节耦入光栅的光栅厚度的驱动装置；其中，光源模块用于依次向波导元件上的耦入光栅输出不同角度入射的投影光线；驱动装置用于将耦入光栅的厚度调节为和投影光线的入射角度对应的光栅厚度；投影光线的每个入射角度对应的光栅厚度为耦入光栅对投影光线的衍射效率不低于预设效率时，投影光线的入射角度对应的耦入光栅的厚度。
22.本技术考虑到投影光线在通过耦入光栅耦入到波导元件中时，投影光线的入射到耦入光栅的入射角度是在一定角度范围内，而对于该角度范围内不同入射角度的投影光线，其对应的衍射效率最高的耦入光栅的光栅矢量不同；为此，本技术中为了尽可能的提升耦入光栅对投影光线耦入波导元件的衍射效率，进而减少耦入波导元件过程中的光能量损失，对投影光线以不同角度入射至耦入光栅时，通过对耦入光栅沿厚度方向进行挤压或拉伸，改变耦入光栅的厚度，进而改变耦入光栅的光栅矢量方向，使得耦入光栅对当前入射角度入射的投影光线的衍射效率最大；并以此类推，使得不同角度的投影光线依次入射至耦入光栅，并对耦入光栅的厚度进行相应的调整，最终实现不同角度入射的投影光线都能够以高衍射效率耦入至波导元件内，在一定程度上降低投影光线耦入波导元件的光能损失，使得光能量的利用率成倍提升，有利于提升波导元件最终输出的画面的亮度，进而提升光学显示系统的显示效果。
附图说明
23.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本技术实施例提供的光栅波导显示系统的光路结构示意图；
25.图2为本技术实施例提供的投影光线的入射角度和光栅矢量之间对应关系的示意图。
具体实施方式
26.在带有光波导的显示设备中，波导元件的主要作用是传导投影光线，但是投影光线入射至波导元件上的耦入光栅的角度是在一定的角度范围区间内，而耦入光栅在成型之后，其光栅矢量是固定的；且对于光栅矢量固定的耦入光栅仅仅只能对特定角度入射的投
影光线的衍射效率达到最大，显然，这在一定程度上使得其他角度入射的投影光线的光能损失明显增大，严重的甚至影响整个投影画面亮度的均匀性。
27.为此，本技术中想到可以使得各个不同角度入射的投影光线存在先后顺序的依次入射，相应地，耦入光栅在接收到不同角度的投影光线时，耦入光栅的厚度也相应改变，进而实现耦入光栅的光栅矢量，实现该角度入射的投影光线的衍射效率达到最大，最终实现投影光线高衍射效率的耦入至波导元件，进而在一定程度上减少投影光线的光能损失，提升投影光线的显示画面的显示效果。
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.如图1所示，图1为本技术实施例提供的光栅波导显示系统的光路结构示意图。
30.该光栅波导显示系统可以包括：
31.用于输出投影光线的光源模块10；
32.用于将投影光线进行全反射传输后输出的波导元件20；
33.设置在波导元件20表面，用于将投影光线耦入到波导元件20内的耦入光栅30；
34.用于对耦入光栅30进行不同程度的挤压或拉伸，以调节耦入光栅30的光栅厚度的驱动装置40；
35.其中，光源模块10用于依次向波导元件20上的耦入光栅30输出不同角度入射的投影光线；
36.驱动装置40用于将耦入光栅30的厚度调节为和投影光线的入射角度对应的光栅厚度；投影光线的每个入射角度对应的光栅厚度为耦入光栅30对投影光线的衍射效率不低于预设效率时，投影光线的入射角度对应的耦入光栅30的厚度。
37.如图1所示，对于本实施例中的光栅波导显示系统中主要的光学元件和传统的光栅波导显示系统中的光学元件类似，均是包含有输出投影光线的光源模块10，波导单元20，以及设置在波导元件上的耦入光栅30和耦出光栅；光源模块10输出的投影光线通过耦入光栅30耦入到波导元件20内，在波导元件20内发生全反射后，通过耦出光栅从波导元件20内耦出。
38.不同的是，一方面，光源模块10输出投影光线的方式不同。传统的显示系统中光源模块10是同步输出一定角度范围内的投影光线；而本实施例中将一定角度范围内的投影光线划分为多个不同角度入射的投影光线，而光源模块10按照一定的顺序依次输出各个不同角度入射的投影光线，也即是说各个不同角度入射的投影光线为不同步入射至耦入光栅30，而是存在一定的先后顺序。
39.另一方面，在传统的显示系统中，波导元件20上设置的耦入光栅30的厚度一般是固定不变的；而在本实施例中，在上述光源模块10依次输出不同角度入射的投影光线的基础上，本实施例中还设置有能够对耦入光栅30进行拉伸和挤压的驱动装置40。对于耦入光栅30而言，其对不同入射角度的投影光线,对应一个使得其衍射效率最高的光栅矢量，而光栅矢量和耦入光栅30的光栅厚度相关。为此，本实施例中在对不同角度入射的投影光线，通过驱动装置40对耦入光栅的挤压或拉伸，改变耦入光栅30的厚度，进而改变耦入光栅30的
光栅矢量，使得其光栅矢量尽可能的对应于可使得当前角度入射的投影光线的最大衍射效率的光栅矢量。
40.为了更清楚的说明光栅矢量和投影光线之间的关系，可以参照图2，在图2所示的实施例中，光源模块10包括平面结构的成像芯片11以及设置在成像芯片11输出光路上的准直系统12。该光源模块10的成像芯片11上包括多个不同的发光部位，且不同发光部位输出的投影光线经过准直系统12准直后入射至耦入光栅20的角度方向各不相同。对于耦入光栅20而言当其满足衍射光线的矢量等于投影光线的入射光线矢量和光栅矢量进行矢量相加的矢量和这一矢量匹配关系时，投影光线衍射效率最高。为了便于说明，图2中三个矢量围成的矢量三角形中，以带箭头的实线表示投影光线，以带箭头点画线表示光栅矢量，以带箭头的虚线表示衍射光线的矢量。由此，随着投影光线的入射角度变化，驱动装置40可以调节耦入光栅30的厚度，进而使得耦入光栅30的光栅矢量相应变化，使得耦入光栅30的光栅矢量能够满足上述矢量匹配关系，进而保证各个不同角度入射的投影光线的衍射效率最高。
41.基于上述论述，通过光源模块10按照顺序依次向耦入光栅30输入不同角度入射的投影光线，而驱动装置40则对应的将耦入光栅30的厚度依次调节使得耦入光栅30为该厚度下对应光栅矢量，由此即可保证各个不同角度入射至耦入光栅30的投影光线均在对应的衍射方向上具有较高的衍射效率，从而在一定程度上提升投影光线的耦入波导元件20的衍射效率，降低光能损失，提升最终显示画面的显示亮度。
42.需要说明的是，尽管对于不同角度入射的投影光线以先后不同顺序入射至波导元件20内，但显然最终人眼观看到的显示画面是各个不同角度入射的投影光线共同投射入射至人眼所形成的完整画面；为此，光源模块10在实际输出不同角度入射的投影光线的过程中，可以利用视觉暂留效应，控制各个不同角度入射的投影光线入射到耦入光栅30的先后时间顺序相差较小，进而使得肉眼完全无法识别出存在时间差异，由此实现各个不同角度的投影光线可以呈现出完整的投影画面。
43.进一步地，对于驱动耦入光栅30的厚度变化的驱动装置40，可以采用压电制动器或者周期性振动的振动器等设备，以振动器为例，该振动器可以与耦入光栅30接触，并做往复振动运动；具体使用中，可选用例如电机与连杆、电机与凸轮、电机与丝杠螺母等结构组成的振动器。
44.另外，驱动装置40对耦入光栅30的厚度进行调节的过程中，可以基于耦入光栅30的材质不同采用不同的方式改变耦入光栅30的厚度。
45.以体全息光栅为例，其实质上是聚合物光栅，该聚合物光栅存在一定的可伸缩性，驱动装置40在改变其厚度的过程中，主要是对该聚合物光栅进行挤压为主，通过对聚合物光栅进行不同程度的挤压，聚合物光栅的厚度也就相应的发生改变。
46.此外，耦入光栅30还可以采用液晶光栅，液晶光栅的表面和波导元件20以及驱动装置40的表面之间可以紧密粘连，进而使得驱动装置40可以对液晶光栅进行不同程度的拉伸；当然，可以理解的是驱动装置40也可以通过对液晶光栅进行挤压实现液晶光栅的厚度的改变，对此本技术中不做具体限制。
47.进一步地，驱动装置40在改变耦入光栅30的厚度过程中，对耦入光栅的拉伸和挤压可以是沿耦入光栅30的厚度方向进行挤压和拉伸，也不排除对该耦入光栅30沿垂直于耦入光栅30厚度方向进行挤压进而对耦入光栅30施加平行于耦入光栅30表面的静摩擦力，最
终使得耦入光栅30厚度变化，类似地还可以采用多种不用的方式实现耦入光栅30的厚度调节，对此本技术中不一一列具列举。
48.可以理解的是，在实际应用中也并不排除采用其他材质的光栅作为耦入光栅30，基于耦入光栅30材质的不同，驱动装置40可以采用合适的方式改变耦入光栅30的厚度，最终达到改变耦入光栅30的光栅矢量的目的，对此，本技术中不一一列举。
49.另外，对于驱动装置40的驱动可以配置专门的处理器进行控制，当然，也可以将该驱动装置40连接上位机、控制器等其他类似能够对驱动装置40的驱动功能进行控制的器件，对此本技术中不做具体限制。
50.需要进一步说明的是，本实施例中的耦入光栅30的厚度范围在200um～20nm，包括端点值；由此可见，本技术中耦入光栅30的厚度是相对较小的，因此，在实际对耦入光栅30进行挤压或拉伸的过程中，尽管因为耦入光栅30产生形变使得其面积也存在一定的变化，但耦入光栅30的面积尺寸要远大于厚度尺寸，使得耦入光栅30的面积变化基本上可以忽略不计，也即是说，耦入光栅30的光栅周期也即可以视为未发生变化，仅仅其光栅厚度发生变化。
51.综上所述，本技术所提供的光栅波导显示系统中，光源模块按照一定的先后顺序依次输出不同角度入射至波导元件的投影光线，而波导元件上的耦入光栅受驱动装置的调节作用，其光栅厚度可随投影光线的入射角度相应变化，进而使得该耦入光栅的光栅矢量发生变化，进而提高投影光线的衍射耦入的衍射效率，减少光能量损失，从而在一定程度上提升最终输出的投影画面的显示效果。
52.如前所述，在上述图2所示的实施例中，是以光源模块10中输出投影光线的成像芯片11为平面芯片为例进行说明的；且在图2所示的实施例中成像芯片11示出的三个不同部分输出的三个不同角度的投影光线，但在图2所示的三个不同角度的投影光线之间的角度差异相对较小，基本上没有超过90度的角度，相应的，三个方向投影光线对应的光栅矢量的方向变化跨度也相对较小。但在实际应用过程中，成像芯片11输出的角度区间范围是一个相对较大的区间范围，这也就要求耦入光栅30的光栅矢量变化范围相对较大；显然此时仅仅通过改变耦入光栅30的光栅厚度可能难以达到光栅矢量的变化要求。为此，在本技术的一种可选地实施例中，还可以进一步地包括：
53.耦入光栅30包括第一耦入子光栅和第二耦入光栅；其中第一耦入子光栅和第二耦入子光栅的光栅周期相同，且光栅倾斜角的方向相反。
54.本实施例中的耦入光栅30由第一耦入子光栅和第二耦入子光栅共同构成；假设以垂直于耦入光栅30的方向为角度0点，而投影光线入射的角度范围区间为[-a，a]，由此，入射角度范围为(-a，0]的投影光线可以入射至第一耦入子光栅，而入射角度范围为(0，a]的投影光线可以入射至第二耦入子光栅。因为第一耦入子光栅和第二耦入子光栅的光栅周期相同而光栅倾斜角的方向相反，那么当第一耦入子光栅和第二耦入子光栅的光栅厚度相同时，两个子光栅的光栅矢量应当以垂直于耦入光栅30的平面为对称面对称。由此即可实现耦入光栅30在厚度变化不至于过大的条件下实现光栅矢量范围大角度变化。
[0055]
可以理解的是，本实施例中仅仅以耦入光栅30包括两个耦入子光栅为例进行说明。在实际应用过程中，如果投影光线的入射角度范围区间过大，也不排除设置三个、四个甚至更多个不同的耦入子光栅，分别用于随着耦入光栅30厚度的变化产生不用角度范围变
化的光栅矢量，以保证各个不同角度入射的投影光线均存在对应的耦入子光栅可对投影光线进行高效率衍射耦入波导元件20。
[0056]
进一步地，对于耦入光栅30而言，其可以是第一耦入子光栅和第二耦入子光栅共同形成的复用光栅，也即是说，第一耦入子光栅和第二耦入子光栅依然是一体的光栅结构，但同时具有两个不同的光栅矢量。
[0057]
此外，参照图2，在图2所示的光源模块10包括有平面结构的成像芯片11，以及设置在成像芯片11的输出光路上的准直系统12。其中，成像芯片11上每个小的发光区域可以视为一个光源子模块，通过各个光源子模块依次输出不同角度的投影光线经过准直系统12准直后入射至耦入光栅30。
[0058]
需要说明的是，对于图2所示的成像芯片11中各个光源子模块10之间可以是一个一体成型的芯片结构，也可以是多个相互独立的发光芯片共同组装于同一平面内所形成的芯片结构。
[0059]
在本技术的一种可选的实施例中，该成像芯片11可以包括多个用于输出投影光线且呈阵列分布的成像像素点，同一列成像像素点组成一组光源子模块。
[0060]
例如，可以将成像芯片11视为由多个灯珠(或像素发光单元)点阵分布组成的面光源，其中同一列灯珠(或像素发光单元)同步点亮和熄灭构成一组光源子模块，各列灯珠依次被点亮，输出发散光之后，经过准直系统12的准直作用形成不同入射角度的投影光线。
[0061]
需要说明的是，对于光源模块10中的成像芯片11也并不必然如图2所示的平面结构，还可以是非平面结构。例如，该成像芯片11还可以是部分圆柱面结构，每个光源子模块均为和该成像芯片11所在圆柱的中心轴相平行的条形光源，各个条形光源依次发光后，也可以通过准直系统12输出不同角度的投影光线。
[0062]
在上述实施例中，均是以成像芯片11的位置不变，而成像芯片11上的发光位置发生逐步变化的方式实现不同角度的投影光线依次输出。在本技术的一种可选的实施例中，还可以包括：
[0063]
光源模块10连接有活动部件；活动部件带动光源模块10活动，以改变光源模块10输出的投影光线入射到耦入光栅30的入射角度。
[0064]
当活动部件带动光源模块10活动时，可以带动光源模块10平移也可以带动光源模块10旋转。
[0065]
以活动部件带动光源模块10平移为例；此时，活动部件主要带动光源模块10中的成像芯片11平移，而此时准直系统12的位置不发生移动，成像芯片11的移动位置主要是在准直系统12的焦平面上平移。显然，在此实施例中，成像芯片11的面积大小可以相对更小，通过其平移实现投影光线入射角度的变化。
[0066]
以活动部件带动光源模块10旋转为例；此时，活动部件需要带动光源模块中的成像芯片11和准直系统12同步旋转，由此改变光源模块10输出投影光线的方向。
[0067]
当然，本技术中也并不排除活动部件既带动成像芯片11进行平移运动同时还带动成像芯片11旋转运动，但在实际应用中成像芯片11和准直系统12的运动情况相对复杂，但理论上而言也同样能够实现不同角度的投影光线的输出，对此本技术中不详细赘述。
[0068]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存
在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本技术实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
[0069]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。